基于MIKE FLOOD的深圳市大空港片區(qū)暴雨內(nèi)澇模擬分析

方煜銘 馬旭民 林凱榮 歐陽佳娜 郭偉建 郭靖

摘 要：由于氣候變化以及城市化發(fā)展，引起強降雨等極端天氣事件增多，導(dǎo)致城市內(nèi)澇現(xiàn)象加劇，給城市交通、居民生活和基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重影響?；?MIKE FLOOD 平臺，通過耦合 MIKE 11、MIKE URBAN 和MIKE 21三個模型，構(gòu)建了暴雨內(nèi)澇模型，對深圳市大空港片區(qū)內(nèi)澇問題進(jìn)行分析。利用2018年“山竹”臺風(fēng)實測暴雨條件下的實測水位、積水深度數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行了參數(shù)率定和驗證。在不同降雨情景下，內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)域主要集中位于研究區(qū)的中部區(qū)域以及河流沿岸附近。另外，根據(jù)“8·29”實測暴雨潮水位，模擬可得：大空港片區(qū)內(nèi)澇點積水深度在15 cm 以上的總積水面積約為7.11 hm2。研究結(jié)果可為區(qū)域城市內(nèi)澇防治提供科學(xué)的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：MIKE模型；城市內(nèi)澇；情景模擬；成因分析；大空港片區(qū)

中圖分類號：TV21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）05-0088-08

Simulation Analysis of Rainstorm Waterlogging in Shenzhen DakonggangArea Based on MIKE FLOOD

FANG Yuming1，MA Xumin1，LIN Kairong1，3，4*，OUYANG Jiana1，GUO Weijian2，GUO Jing2

（1. School of Civil Engineering，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China;2. Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China;3. Guangdong Key Laboratory of Marine Civil Engineering，Guangzhou 510275，China;4. GuangdongEngineering Technology Research Center of Water Security Regulation and Control for Southern China，Guangzhou 510275，China）

Abstract： Due to climate change and urbanization， extreme weather events such as heavy rainfall have increased， leading to the aggravation of urban waterlogging，which has a serious impact on urban traffic，residents' life，and infrastructure. Based on the MIKE FLOOD platform，this paper constructs a rainstorm waterlogging model by coupling the three models of MIKE 11，MIKE URBAN，and MIKE 21 to analyze the waterlogging problem in the Shenzhen Dakonggang area. It calibrates and verifies the parameters of the model using the measured water level and water depth data under the measured rainstorm conditions of Typhoon "Mangkhut" in 2018. Under different rainfall scenarios，the high-risk areas of waterlogging are mainly concentrated in the central region of the study area and near the river bank. In addition，according to the measured tide level of the "8·29" rainstorm，the simulation can be obtained：The total water accumulation area of the waterlogging point in the Dakonggang area with a depth of more than 15 cm is about 7.11 hm2. The research results can provide scientific technical support for the prevention and control of regional urban waterlogging.

Keywords：MIKE model; urban waterlogging; scenario simulation; cause analysis; Dakonggang area

氣候變化引起極端天氣事件增多，如強降雨、暴雨等極端氣象條件頻發(fā)。這些極端天氣事件對城市內(nèi)澇［1-3］的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，使得城市對應(yīng)急排水系統(tǒng)的需求變得更加迫切。另一方面，隨著城市化的不斷推進(jìn)，城市土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，大量的非透水表面如建筑、道路、人工覆蓋物等增加，城市綠地減少、濕地被填充等導(dǎo)致水文循環(huán)失衡，影響了城市的自然排水能力，“每逢大雨必澇”“城市看?！币呀?jīng)成為城市的通病，每年受淹城市都在百座以上［4-5］。與此同時，一些老舊城區(qū)的排水系統(tǒng)設(shè)施滯后，排水管網(wǎng)老化，且污水中的垃圾很容易堵塞管道［6］，因此，難以應(yīng)對短時間內(nèi)大量的降雨水量，這使得城市內(nèi)澇問題更為突出。

城市內(nèi)澇給居民的生活和工作帶來了諸多不便，如交通中斷、房屋受損、基礎(chǔ)設(shè)施癱瘓等，對城市的社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成威脅。因此，深入研究城市內(nèi)澇問題，探討其發(fā)生的機理、影響因素以及有效的治理對策，對于提高城市抗災(zāi)能力、改善居民生活質(zhì)量具有重要的理論和實際意義。

目前，國內(nèi)外一些成熟的城市內(nèi)澇模型都有所體現(xiàn)，包括 ICM、MIKE 等。曾照洋等［7］以東莞市典型區(qū)域作為研究對象，在構(gòu)建 SWMM 模型的基礎(chǔ)上，與 LISFLOOD-FP 二維水動力模型進(jìn)行耦合，模擬分析了暴雨內(nèi)澇淹沒范圍和淹沒水深等情況，對研究區(qū)防澇減災(zāi)具有重要意義；周小飛［8］以運城市為研究對象，通過 MIKE FLOOD 平臺，耦合 MIKE URBAN 和 MIKE 21，模擬不同頻率設(shè)計暴雨下的內(nèi)澇情況，并進(jìn)行內(nèi)澇評估以及劃分相應(yīng)的內(nèi)澇風(fēng)險圖。王英［9］以北京市未來科學(xué)城區(qū)域作為研究區(qū)域，應(yīng)用 MIKE FlOOD，對一維排水管網(wǎng)模型與二維地表漫流模型兩者進(jìn)行耦合，進(jìn)行了暴雨洪水洪澇風(fēng)險評估。趙華青等［10］建立了平原區(qū)流域的 MIKE 耦合模型，為流域的洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估、預(yù)測和預(yù)警提供了數(shù)據(jù)支撐。欒震宇等［11］在 MIKE FLOOD 平臺上構(gòu)建了一維管網(wǎng)模型和二維地表漫流模型，并耦合兩者，對湖南新化城區(qū)不同排澇情景進(jìn)行模擬，為城市內(nèi)澇風(fēng)險評估管理提供參考。譚雨欣等［12］采用 MIKE 系列軟件對大亞灣澳頭圓盤區(qū)域進(jìn)行內(nèi)澇模擬，為澳頭老城區(qū)排澇設(shè)施的內(nèi)澇防治提供了解決思路。

自2017年來，深圳市連續(xù)遭遇臺風(fēng)“天鴿”（2017-8-23）、臺風(fēng)“山竹”（2018-9-16）和“8·29 （2018-8-29）”強降雨極端事件，在大空港截流河工 程區(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的城區(qū)內(nèi)澇問題。本文選擇 深圳市大空港片區(qū)，基于 MIKE FLOOD 平臺，通過 耦合 MIKE 11、MIKE URBAN 和 MIKE 21三個模型，構(gòu)建了暴雨內(nèi)澇模型，并考慮了典型臺風(fēng)暴雨的情 景，從地表淹沒情況、內(nèi)澇積水點的淹沒情況等方 面分析引發(fā)大空港片區(qū)城市內(nèi)澇的主要因素，為揭 示城市內(nèi)澇形成機理以及城市內(nèi)澇風(fēng)險評估提供 相應(yīng)的參考意義。

1研究區(qū)域概況

1.1區(qū)域概況

大空港片區(qū)包括空港新城區(qū)及機場片區(qū)，北部以茅洲河為界，南至航城大道，西鄰珠江口，東以珠江口水系流域范圍線為界，見圖1。截流河干流以東為廠房和民居，地面高程1.0～3.5 m，地勢平緩，截流河南片區(qū)的地形高程整體高于北片區(qū)，南片區(qū)的高程普遍在3.0 m及以上。

1.2歷史內(nèi)澇情況

通過對深圳市寶安區(qū)大空港片區(qū)內(nèi)澇點的分析，經(jīng)統(tǒng)計，截流河南北片區(qū)現(xiàn)狀內(nèi)澇點積水情況見表1、圖1，表中數(shù)據(jù)來源于深圳市水務(wù)局調(diào)查結(jié)果。

2內(nèi)澇模型構(gòu)建

2.1模型構(gòu)建

丹麥水利研究所（DHI）開發(fā)的 MIKE模型在模擬城市內(nèi)澇研究中有較多體現(xiàn)［13-15］。通過 MIKE FLOOD，耦合一維河道模型（MIKE 11）、地下管網(wǎng)模型（MIKE URBAN）、二維地表漫流模型（MIKE 21），構(gòu)建大空港片區(qū)內(nèi)澇模型。模型區(qū)域范圍為圖1所示的大空港片區(qū)。

一維河道模型：通過 MIKE11模型，創(chuàng)建斷面、河網(wǎng)、參數(shù)、時間序列、邊界文件，大空港片區(qū)包括一條截流河干流和南、北兩條連通渠，連通德豐圍涌、石圍涌、下涌、沙涌、和二涌、沙福涌、塘尾涌、玻璃圍涌共8條上游河涌。設(shè)置截流河以及支流的河道糙率取值在0.028～0.033。在截流河北片區(qū)，和二涌與沙福河河口間設(shè)置節(jié)制水閘，以實現(xiàn)高水和低水的分離。此外，截流河上游350 m處設(shè)置北泵站規(guī)模為117 m3/s，用于將北片區(qū)雨水集中排入截流河封閉區(qū)域。南片區(qū)整體地勢較高，具備自排調(diào)整的能力，南片區(qū)來水通過截流河南段自排出海［16］（圖2）。

一維管網(wǎng)模型：通過 MIKE URBAN模型對大空港片區(qū)管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，集水區(qū)不透水參數(shù)根據(jù)下墊面用地類型參考 GB 50014—2021《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》取值，采用等時流面積法（T-A 模型）［17］對城區(qū)進(jìn)行產(chǎn)流計算，劃分了1652個產(chǎn)流區(qū)，初始損失取0.0006 m，地面平均流速0.3 m/s，水文衰減系數(shù)取0.9，曼寧系數(shù)取0.013（圖3）。

二維地表漫流模型：通過 MIKE 21模型，構(gòu)建大空港片區(qū)基礎(chǔ)地形，并處理下墊面數(shù)據(jù)?？紤]到模型的精度要求，對地表進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，插值處理得到10 m 的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，共309701個網(wǎng)格（圖4）。

多維耦合模型：在 MIKE FLOOD 平臺上，模型的耦合包括一維河網(wǎng)模型與二維地表模型的耦合，一維河道模型與管網(wǎng)匯流模型的耦合，二維地表漫流模型與管網(wǎng)匯流模型的耦合。

2.2模型驗證

臺風(fēng)“山竹”在16日13—15時前后距離深圳最近，約130 km，16日白天至夜間有大暴雨到特大暴雨。根據(jù)深圳市氣象局?jǐn)?shù)據(jù)，全市平均雨量187.2 mm，其中最大1 h 降雨為59.5 mm（柚柑灣站）。本次大空港片區(qū)以海上田園站作為分析站點，海上田園站最大1 h 降雨量為26.3 mm，小于兩年一遇標(biāo)準(zhǔn)。臺風(fēng)“山竹”總降雨量約為119.97 mm，持續(xù)時間約為24 h（圖5）。

當(dāng)遭遇“山竹”臺風(fēng)，截流河北段（抽排區(qū)）最高水位為1.7 m，南區(qū)自排區(qū)最高水位為2 m，防潮體系發(fā)揮功效，潮水未入城，且河道水位較低，滿足區(qū)域防洪及排澇要求。選取2018年9月16日“山竹”強降雨對模型進(jìn)行驗證，通過易澇點淹沒水深數(shù)據(jù)和截流河南北段實測水位對模型具體數(shù)值和各參數(shù)進(jìn)行修正和率定，模型模擬水位與實測水位相一致，小于0.1 m，誤差率小于10%，見表2；另外，經(jīng)模型運算，遭遇“山竹”臺風(fēng)時，片區(qū)的積水情況與實際情況相符合。綜上，認(rèn)為模型具有較好的精確性（圖6）。

3內(nèi)澇模擬分析

3.1降雨情景設(shè)計

根據(jù)深圳市大空港片區(qū)降雨雨型及截流河流域匯流的特點，短歷時設(shè)計暴雨雨峰系數(shù)取值0.375，設(shè)計暴雨歷時選取3 h，時間間隔為5 min，采用芝加哥雨型，從而進(jìn)行不同重現(xiàn)期暴雨情景的設(shè)計（表3），各重現(xiàn)期設(shè)計暴雨過程見圖7。模型外邊界為潮汐系列。模擬不同降雨重現(xiàn)期的地表積水深度和地表積水歷時情況，并分析導(dǎo)致內(nèi)澇問題的原因等。設(shè)計暴雨強度公式［18］見式（1）：

式中 q——暴雨強度，L/（s ·hm2）；P——設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，a；T——降雨歷時，min。

3.2現(xiàn)狀管道排水能力分析

大空港片區(qū)南北向雨水干管主要沿福園路、永福路、寶安大道等排入沙福河、塘尾涌和玻璃圍涌等，東西向雨水干管主要沿鳳塘大道、荔園路等排入附近河涌后并最終匯入珠江口。管道充滿度反映管道超負(fù)荷運行程度，可作為評估管道排水能力的指標(biāo)［19］，計算見式（2）：

式中 F——管道充滿度；Wlevel——管道水位，m； Hinvertlevel——管底高程，m；Hheight——管道高度，m。

通過管道充滿度來表示管網(wǎng)狀態(tài)，李保健等［19］指出當(dāng)管道充滿度小于等于1時，管網(wǎng)處于正常狀態(tài)；當(dāng)管道充滿度大于1時，即不滿足管道排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。通過 MIKE URBAN模型模擬，在不同降雨重現(xiàn)期下，對區(qū)域管道充滿度指標(biāo)進(jìn)行計算，對管網(wǎng)排水能力進(jìn)行評估。由于管道排水能力占比是指在設(shè)計降雨重現(xiàn)期下，滿足設(shè)計排水標(biāo)準(zhǔn)的管道長度與總管道長度之比，通過統(tǒng)計分析，大空港片區(qū)現(xiàn)狀管道排水能力滿足情況如下：滿足 T<1 a設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的占比為52.18%，滿足1 a≤T<2a 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的占比為6.30%，滿足2 a≤T<3 a 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的占比為2.79%，滿足3 a≤T<5 a 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的占比為4.21%，滿足 T≥5 a設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的占比為34.51%。

表4可知，在短歷時降雨下，大空港片區(qū)的現(xiàn)狀排水管網(wǎng)表明：滿足 T<1 a設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的占比較大，比如排水標(biāo)準(zhǔn)較低的新沙路等處管段，這些管道在短時間內(nèi)可能難以有效排除較為頻繁的強降雨引起的雨水。這會導(dǎo)致雨水在道路上積聚，增加城市內(nèi)澇的風(fēng)險。

3.3地表淹沒結(jié)果分析

3.3.1地表積水深度結(jié)果分析

通過構(gòu)建好的大空港片區(qū)內(nèi)澇模型結(jié)果，對不同降雨情景下的淹沒情況進(jìn)行分析。通過模擬得出的結(jié)果顯示，大空港片區(qū)的地面積水深度在超過0.15 m 的淹沒面積中占比普遍超過60%（表5）。隨著降雨重現(xiàn)期的增加，不同淹沒水深區(qū)間的淹沒面積也變大，淹沒水深超過0.27 m 的區(qū)域，往往是高密度建筑物樓群的所在區(qū)域，不透水率較低?？傮w來看，在不同降雨重現(xiàn)期下，大空港片區(qū)淹沒水深在空間上的趨勢大致相似。

通過圖8，可看出內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)域主要位于研究區(qū)的中部，這些地方地勢相對較低，易于積水，因此內(nèi)澇風(fēng)險較高。整個研究區(qū)域的積水主要集中在道路及其沿線區(qū)域，由于四周都是建筑物，集中在建筑物之間的道路積水量增加。

3.3.2地表積水歷時結(jié)果分析

在城市內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生時，淹沒歷時往往也可以反映區(qū)域受災(zāi)程度。通過對不同降雨重現(xiàn)期的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，比較不同降雨情景下2種時段的淹沒面積（超過15 cm及以上的積水深度），統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表6所示，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，不同降雨情景下積水深度15 cm及以上的淹沒歷時面積呈上升趨勢。對于短歷時降雨，淹沒時長主要維持在30 min及以下，隨著降雨重現(xiàn)期的增加，30 min 以上的淹沒面積逐漸與30 min及以下的淹沒面積持平，地勢低洼處以及主干管交界處的積水消退時間較長。

3.4典型臺風(fēng)暴雨內(nèi)澇模擬

2018年8月27日20時至9月1日20時，深圳市各區(qū)相繼出現(xiàn)持續(xù)特大暴雨，全市平均累計雨量365.2 mm，全市有70%的地區(qū)累計雨量超過250 mm，16%的區(qū)域超過40 mm，全市范圍內(nèi)陸續(xù)發(fā)布紅色預(yù)警信號。本次大空港片區(qū)分析以海上田園站為分析站點，“8·29”暴雨期間海上田園站最大1 h 降雨量為30 mm，最大24 h 降雨量為304.2 mm，1 h 達(dá)5年一遇，24 h超過10年一遇。

通過“8·29”實測暴雨潮水位，模型模擬結(jié)果如下：當(dāng)大空港片區(qū)內(nèi)遭遇“8·29”暴雨時，截流河沿河附近的積水較多，內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)域主要集中在截流河沿岸附近及地勢低洼處（圖9）。在極端暴雨條件影響下，市政道路的積水也隨之增加，對城市下墊面造成重大威脅。和二社區(qū)、松福大道（荔園路—鳳塘大道段）、塘尾社區(qū)建安路與永福路交匯處、塘尾社區(qū)福園一路德的工業(yè)園等內(nèi)澇點位置處于高風(fēng)險區(qū)，積水深度在15 cm 以上的積水面積分別約為4100、20300、4000、7900 m2，大空港片區(qū)積水深度在15 cm 以上的總積水面積約為7.11 hm2。

3.5內(nèi)澇成因分析

通過大空港片區(qū)在不同設(shè)計降雨下的淹沒深度、淹沒范圍和淹沒歷時的分析，除了極端暴雨事件，研究區(qū)不透水表面增加、雨水管網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、局部地勢低洼、河道頂托等也是導(dǎo)致內(nèi)澇災(zāi)害的原因。

伴隨城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，人們對城市空間的需求也不斷加大，因而草地、濕地等透水面被逐步開發(fā)利用，透水面面積逐漸縮減。通過對大空港片區(qū)下墊面透水性面積的統(tǒng)計，不透水性下墊面面積占比72.49%，透水性下墊面面積占比27.51%。不透水性下墊面面積占比總流域面積的70%以上，不透水性下墊面占比較大，徑流系數(shù)大，故研究區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生內(nèi)澇災(zāi)害。

由于大空港片區(qū)現(xiàn)狀排水能力不足，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，原有的排水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展的需要。其中，新沙路等處管徑為500 mm，管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低。

大空港片區(qū)整體地勢東南高西北低，內(nèi)澇區(qū)域多發(fā)生在地勢低洼區(qū)。地面上的雨水經(jīng)過低洼處后，就會形成積水，積水深度較大，雨水無法順利排入管網(wǎng)，存在一定的風(fēng)險隱患。其中，塘尾社區(qū)建安路與永福路交匯處、塘尾社區(qū)福園一路德的工業(yè)園等處的積水均由地勢低洼引起。

大空港片區(qū)在重現(xiàn)期超過5 a 的降雨情景下，管網(wǎng)顯然已無法滿足排澇需求，河道水位迅速上漲，洪量增大，高水位頂托造成管網(wǎng)直排口發(fā)生河水倒灌，使管網(wǎng)下游排澇受到阻礙。

4結(jié)論

通過建立大空港片區(qū)河道-管網(wǎng)-地表三耦合內(nèi)澇模型，以研究不同情景下的內(nèi)澇模擬情況，結(jié)論如下。

a）經(jīng)過模型模擬，在不同降雨情景下，地面積水主要集中在積水深度超過15 cm 的淹沒區(qū)域，面積占比均在60%以上。大空港片區(qū)積水深度的空間分布趨勢大致相似，內(nèi)澇高風(fēng)險區(qū)域主要集中位于研究區(qū)的中部區(qū)域以及河流沿岸附近；隨著短歷時降雨重現(xiàn)期的增加，不同淹沒水深和淹沒歷時的淹沒區(qū)域面積也隨之增加。

b）當(dāng)大空港片區(qū)內(nèi)遭遇“8·29”暴雨時，通過模型模擬可得：松福大道（荔園路-鳳塘大道段）、“新沙路安托山科技工業(yè)園”、民主社區(qū)德豐圍等內(nèi)澇點位置處于高風(fēng)險區(qū)，積水面積較大，積水深度在15 cm 以上的總積水面積約為7.11 hm2。

c）通過分析大空港片區(qū)內(nèi)澇情況，形成原因有：城市開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致的下墊面過度硬化，淹沒范圍大多分布在道路上，導(dǎo)致局部地勢低洼地區(qū)積水較深；另外，管道自身排水能力不足，主要有大管接小管等問題；由于下游河水頂托，導(dǎo)致管道排口排水不暢。

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（責(zé)任編輯：程 茜）